Nghiên cứu các phương pháp thu thập dữ liệu mới trong mạng cảm biến không dây ảo hóa

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NINH XUÂN PHONG NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP THU THẬP DỮ LIỆU MỚI TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ẢO HÓA LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VIỄN THƠNG THÁI NGUN 2020 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn ii LỜI CAM ĐOAN Tôi – Ninh Xuân Phong - cam đoan cơng trình nghiên cứu thân hướng dẫn PGS.TS.Nguyễn Tuấn Minh Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận văn Ninh Xuân Phong Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn iii MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSN 1.1Giới thiệu nút cảm biến 1.2Ứng dụng 1.2.1Vận tải 1.2.2Giám sát điều khiển công nghiệ 1.2.3Nông nghiệp 1.2.4Theo dõi sạt lở đá giám sát độn 1.3Các cấu trúc liên kết mạng cảm biến không 1.3.1Cấu trúc liên kết mạng dạng 1.3.2Cấu trúc liên kết mạng dạng 1.3.3Cấu trúc liên kết dạng lưới 1.4Các giao thức truyền thông mạng cảm biến không dây 1.4.1ZigBee 1.4.2Bluetooth (BLE) 1.4.3 Wifi 1.4.4RF – Tín hiệu tần số vơ tuyến 1.5Nền tảng phần cứng 1.5.1Nhà cung cấp hạ tầng cảm biến (S 1.5.2Nhà cung cấp dịch vụ mạng ảo hó 1.5.3Ứng dụng người dùng (ALU) 1.6Công nghệ đại 1.6.1Ảo hóa cấp nút 1.6.2Ảo hóa cấp mạng 1.6.3Giải pháp ảo hóa kết hợp 1.7Ưu điểm nhược điểm ảo hóa mạng 1.7.1Ưu điểm 1.7.2Nhược điểm Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – ĐHTN iv CHƯƠNG 2: CÁC DỰ ÁN ẢO HÓA MẠNG 2.1Đặc điểm 2.1.1Công nghệ mạng 2.1.2Lớp ảo hóa 2.1.3Miền kiến trúc 2.1.4Mức độ chi tiết ảo hóa 2.2 Cơng nghệ mạng 2.2.1Mạng IP : X-Bone 2.2.2 Mạng ATM: Tempest 2.3Lớp ảo hóa 2.3.1Lớp vật lý UCLP 2.3.2Lớp liên kết VNET 2.3.3 Lớp mạng AGAVE 2.3.4 Lớp ứng dụng VIOLIN 2.4Miền kiến trúc 2.4.1 Quản lý mạng: VNRMS 2.4.2Mạng hoạt động ảo: NetScript 2.4.3Mạng tái sinh : Genesis 2.4.4Cơ sở thí nghiệm: FEDERICA 2.5Độ chi tiết ảo hóa 2.5.1Ảo hóa nút: PlanetLab 2.5.2GENI 2.5.3VINI 2.5.44WARD 2.5.5Ảo hóa hồn tồn: CABO CHƯƠNG 3: CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG THU THẬP DỮ LIỆU VÀ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG 3.1Định tuyến PA tối đa 3.2Định tuyến lượng thấp (ME) 3.3Định tuyến đường ngắn (Min-Hop) CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN v 4.1 CONTIKI OS 43 4.1.1 Định nghĩa CONTIKI OS 43 4.1.2 COOJA ? 43 4.1.3 Đặc tính Contiki 43 4.1.5 Mô giao thức mạng 51 4.2.2 Ứng dụng hệ điều hành Tiny 60 4.2.3 Ưu điểm nhược điểm TinyOS 61 4.3 So sánh hệ điều hành CONTIKI OS TINY OS 74 4.4 Ưu điểm nhược điểm mô 75 KẾT LUẬN 76 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình : Giải pháp ảo hóa cấp nút .3 Hình : Giải pháp dựa cụm mạng cảm biến không dây WSN .4 Hình : Giải pháp dựa mạng ảo VSN Hình 4a : Các giải pháp dựa cụm phần mềm trung chuyển Hình 4b: Các giải pháp dựa lớp trung gian mạng ảo Hình : Kiến trúc nút cảm biến Hình : Ứng dụng WSN công nghiệp 10 Hình : Ảo hóa WSN theo dõi đá lở giám sát động vật 11 Hình : Cấu trúc liên kết mạng 12 Hình 10: Cấu trúc liên kết mạng 12 Hình 11: Cấu trúc liên kết dạng lưới 13 Hình 12 : Module Xbee 14 Hình 13: Bluetooth 16 Hình 14: Wifi 17 Hình 15: Những module RF phổ biến 18 Hình 16: Kiến trúc mạng cảm biến ảo 19 Hình 17: Ảo hóa cấp độ nút 20 Hình 18: Ảo hóa cấp mạng 23 Hình 19: Giải pháp ảo hóa kết hợp 26 Hình 20: Năng lượng có sẵn (PA) tuyến đường 40 Hình 21 : Giá trị định tuyến đường dẫn 42 Hình 22: Boot Ubuntu 45 Hình 23: Đăng nhập 46 Hình 24: Mở cửa sổ 47 Hình 25: Khởi động Cooja 47 Hình 26: Tạo mơ 48 Hình 27: Cài đặt tùy chọn mơ 48 Hình 28: Cửa sổ làm việc 49 Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn vii Hình 29: Thêm mote 50 Hình 31: Ứng dụng Contiki 51 Hình 32 : Thêm mote 51 Hình 33: Mô 10 mote 52 Hình 34 : Địa IPv6 52 Hình 35 Giao thức định tuyến Contiki cho mạng lượng thấp tổn thất (RPL) 53 Nếu thay đổi IP mote lân cận thay IP máy chủ, bạn thấy liệu truyền mote 53 Hình 36: Mote liệu 53 Hình 37: Mô với 50 mote 54 Hình 38: RPL - Theo dõi lượng 50 mote sau phút 54 Hình 44: Cách biên dịch tập tin Tiny OS 60 Hình 45: Terminal Ubuntu 63 Hình 46: Cài đặt cơng cụ TinyOS 64 Hình 47: Kết thúc cài đặt 64 Hình 48: Mô Tossim 68 Hình 49: Python 68 Hình 51: Mơ mạng JTossim 70 Hình 52: Project Wizard 70 Hình 53: Nạp Project 71 Hình 54: Mơ mote 71 Hình 55: Tin nhắn xuất Jtossim 72 Hình 56: TinyOS CTP 73 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn viii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT WSNs IoTs IoS VSN CTP API ADC VWSN WPAN IEEE PHY WLAN SInP SGR SVNSP ALU VR VH NP VL MAC Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN ix VPN M2M VANET TCP RPL BLE CoAP QoS RF NFC Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn MỞ ĐẦU Trong trình phát triển người, mạng cơng nghệ đóng vai trò quan trọng, chúng làm thay đổi ngày sống người, theo hướng đại Song song với trình phát triển người, thay đổi tác động người tự nhiên, môi trường sống diễn ra, tác động trở lại chúng ta, ô nhiễm mơi trường, khí hậu thay đổi, v.v Dân số tăng, nhu cầu tăng theo, dịch vụ, tiện ích từ hình thành phát triển theo Đặc biệt áp dụng công nghệ ngành điện tử, công nghệ thông tin viễn thông vào thực tiễn sống người Cơng nghệ cảm biến khơng dây tích hợp từ kỹ thuật điện tử, tin học viễn thơng tiên tiến vào mục đích nghiên cứu, giải trí, sản xuất, kinh doanh, v.v , phạm vi ngày mở rộng, để tạo ứng dụng đáp ứng cho nhu cầu lĩnh vực khác Hiện nay, công nghệ cảm biến không dây chưa áp dụng rộng rãi nước ta, điều kiện kỹ thuật, kinh tế, nhu cầu sử dụng Song hứa hẹn đích đến tiêu biểu cho nhà nghiên cứu, cho mục đích phát triển đầy tiềm Để áp dụng công nghệ vào thực tế tương lai, có khơng nhà khoa học tập trung nghiên cứu, nắm bắt thay đổi công nghệ Được định hướng dẫn thầy Nguyễn Tuấn Minh, chọn đề tài luận văn “NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP THU THẬP DỮ LIỆU MỚI TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ẢO” Với mục đích tìm hiểu mạng cảm biến khơng dây, ảo hóa mạng cảm biến khơng dây, giao thức định tuyến phương pháp thu thập liệu tiết kiệm lượng Trong luận văn thực số mô giao thức mạng, giao thức định tuyến với mục đích tìm hiểu phương pháp mơ hình hố, mơ mạng phân tích đánh giá kết từ chương trình mơ Nội dung luận văn thể qua chương : Chương 1: Tổng quan mạng cảm biến không dây (WSN) Chương 2: Các dự án ảo hóa mạng Chương 3: Các giao thức định tuyến thu thập liệu tiết kiệm lượng Chương 4: Mô giao thức mạng giao thức định tuyến Chương 5: Kết luận Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 70 Hình 51: Mơ mạng JTossim Tạo project Hình 52: Project Wizard Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 71 Hình 53: Nạp Project Mơ mạng khơng dây: Hình 54: Mơ mote Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 72 Hình 55: Tin nhắn xuất Jtossim Giao thức CTP CTP (Collection Tree Protocol) giao thức định tuyến dạng cây, mở rộng thuật tốn Trickle Nó gọi đảm nhiệm việc tập hợp liệu mục tiêu WSN CTP ưa chuộng nhờ đáng tin cậy, hiệu quả, nhanh chóng độc lập phần cứng CTP dựa vào gói liệu để xác nhận cấu trúc liên kết định tuyến phát vòng lặp Giao thức định tuyến sử dụng đèn hiệu thích ứng (một ứng dụng Trickle) để thiết lập động thích ứng với thay đổi mạng Mỗi nút thực CTP trì ước tính chi phí tuyến đến điểm thu thập (cụ thể nút tập trung - sink) Số liệu thường gọi hệ số dự kiến truyền (ETX) Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 73 Hình 56: TinyOS CTP Nút gọi nút nguồn nút tập trung, có nghĩa tất liệu gửi lên nút nguồn Các nút N3.3, 22,22, 13,13 đến N9.9 cần chuyển tiếp gói tự tạo liệu riêng Phần quan trọng tất thông tin gửi nút nguồn mà không quan tâm đến nút gửi tới Mỗi nút có tên hệ số truyền dự kiến (ETX) đến điểm thu phát Mỗi nút cung cấp giá trị chất lượng liên kết cho nút lân cận ETX thiết lập cách ước tính chất lượng liên kết nút gán giá trị cho Lấy giá trị liên kết điểm thu phát gán giá trị cho ETX nút Vì nút có khả tự tính tốn hệ số truyền ETX nên nút cần biết dạng liên kết sử dụng để kết nối với nút chủ hệ số truyền ETX nút chủ để tự động tính tốn hệ số truyền ETX EXT(nguồn) = ETX(nút) = ETX(nút chủ) + ETX(dạng liên kết) Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 74 Hình 57: Độ nhiễu: Meyer Heavy & Casino Lab 4.3 So sánh hệ điều hành CONTIKI OS TINY OS OS Kiến trúc Bộ nhớ Đa luồng lập kế hoạch Quản lý nhớ bảo trợ Giao thức giao tiếp Chia sẻ nguồn Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – ĐHTN Hỗ trợ thời gian thực Giao tiếp bảo đảm Hỗ trợ mô Ngôn ngữ lập trình Bảng : So sánh CONTIKI OS TINY OS 4.4 Ưu điểm nhược điểm mô a) Ưu điểm - Hệ thống nghiên cứu kiểm sốt mơi trường thích hợp - Thiết kế cải tiến - Lựa chọn chi phí phù hợp - Mơ quan sát dễ dàng môi trường b) Nhược điểm - Phụ thuộc vào mơ hình giả định - Có thể khơng cho kết thực tế xác Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 76 KẾT LUẬN Luận văn trình bày lý thuyết tổng quan mạng cảm biến khơng dây, nút cảm biến khơng dây; ảo hóa mạng cảm biến không dây; số ứng dụng mạng cảm biến không dây nhiều lĩnh vực nông nghiệp, công nghiệp, vận tải, theo dõi, giám sát, vv; cấu trúc liên kết mạng cảm biến không dây ảo; giao thức truyền thông; cơng nghệ đại ảo hóa cấp nút ảo hóa cấp mạng dự án ảo hóa mạng cảm biến không dây Nhằm đạt mục tiêu triển khai ảo hóa mạng cảm biến khơng dây, người thiết kế hệ thống cần phải nắm bắt nhân tố tác động đến mạng, nhược điểm mạng cần phải khắc phục, tham số mạng cần quan tâm Vì tơi đặc biệt trọng tìm hiểu số giao thức định tuyến thu thập liệu tiết kiệm lượng mạng cảm biến không dây ảo để tới mô đánh giá số giao thức mạng giao thức RPL giao thức LIBP hệ điều hành nguồn mở CONTIKI OS giao thức thu thập liệu (CTP) hệ điều hành TINY OS Từ mơ thực giúp nhà thiết kế triển khai hệ thống theo cách tối ưu Qua nghiên cứu thực luận văn kết luận ảo hóa định tuyến mạng cảm biến ảo thực đề tài đáng quan tâm Với tác dụng thấy rõ việc ảo hóa mang lại, tương lai không xa mạng cảm biến ảo phát triển rộng rãi nhanh chóng Tơi hi vọng luận văn góp phần vào việc nghiên cứu lĩnh vực tương đối mẻ Việt Nam Do thời gian có hạn với trình độ thân cịn hạn chế nên thuật tốn chưa thực hoàn thiện chưa thử nghiệm nhiều mơ hình mạng với kích thước mật độ nút mạng khác Trong tương lai, mong muốn phát triển giải pháp để tối ưu với nhiều loại mơ hình mạng, nhiều kịch ứng dụng khác nhau, đồng thời cài đặt thiết bị phần cứng để thu kết hoạt động giao thức thực tế Học viên thực Ninh Xuân Phong Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 77 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] - Imran Khan,Fatna Belqasmi, “Wireless Sensor Network Virtualization: A Survey “.IEEE Communications Surveys & Tutorials · May 2015 [2] – Imran Khan, Roch Glitho, Fatna Belqasmi, ”Wireless Sensor Network Virtualization: Early Architecture and Research Perspectives ” 6th Joint IFIP Wireless and Mobile Networking Conference (WMNC'13), April, 23-25, 2013 [3] - Akyildiz, Ian F., et al "A survey on Sensor Networks " IEEE Communications Magazine · September 2002 [4] W K G Seah, Z A Eu and H P Tan, “Wireless Sensor Networks Powered by Ambient Energy Harvesting (WSN-HEAP) – Survey and Challenges”, Invited Paper, Proceedings of the First International Conference on Wireless Communications, Vehicular Technology, Information Technology and Aerospace & Electronic Systems Technology (Wireless VITAE), Aalborg, Denmark, 17-20 May 2009 [5] Y.K Tan and S.K Panda, “Optimized Wind Energy Harvesting System Using Resistance Emulator and Active Rectifier for Wireless Sensor Nodes”, IEEE Transactions on Power Electronics, vol.26, issue.1, pp.38-50, 2011 [6] Y.K Tan and S.K Panda, “Energy Harvesting from Hybrid Indoor Ambient Light and Thermal Energy Sources for Enhanced Performance of Wireless Sensor Nodes”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, in-press, 2011 [7] - Dilum Bandara, Anura P Jayasumana “Cluster Tree Based Self Organization of Virtual Sensor Networks” Conference Paper · January 2009 [8] - Roxanne Hawi “Wireless Sensor Networks – Sensor Node Architecture [9] – Divya Sharma, Sandeep Verma, Kanika Sharma “ Network Topologies in Wireless Sensor Networks: A Review ” IJECT Vol 4, Issue Spl - 3, April - June 2013 [10] - Nidhi Patel , Hiren Kathiriya , Arjav Bavarva “WIRELESS SENSOR NETWORK USING ZIGBEE” Volume: 02 Issue: 06 | Jun-2013 [11] - Robert Faludi, O’Reilly, “Building Wireless Sensor Networks” December 2010 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 78 [12] - Srdjan Krco “Bluetooth Based Wireless Sensor Networks – Implementation Issues and Solutions “.Applied Research Lab, Ericsson Ireland [13] - Jennifer Bray, “Masters and Slaves: Roles in a Bluetooth Piconet” 11, [14] - Erina Ferro, Francesco Potorti “BLUETOOTH AND WI-FI WIRELESS PROTOCOLS: A SURVEY AND A COMPARISON” IEEE Wireless Communications • February 2005 [15] - Prusayon Nintanavongsa ”A survey on RF energy harvesting: circuits and protocols” Energy Procedia 56 ( 2014 ) 414 – 422 [16] - Dargie, W and Poellabauer, C (2010) “Fundamentals of wireless sensor networks: theory and practice” John Wiley and Sons pp 168–183, 191–192 [17] - Chandana Das, Siba Prasada Tripathy “A Review on Virtualization in Wireless Sensor Network “.Roland Institute of Technology, Behampur, India International Journal of Advance Computing Technique and Applications (IJACTA), ISSN : 2321-4546 [15] Andrew R Halloran “Wireless Sensor Network for Monitoring Applications” A Major Qualifying Project Report Submitted to the University of WORCESTER POLYTECHNIC INSTITUTE In partial fulfillment of the requirements for the Degree of Bachelor of Science [16] - Praveen Budhwar.” TinyOS: An Operating System for Wireless Sensor Networks “.IJCST Vol 6, Issue 1, Jan - March 2015 [17] - Shah Bhatti, James Carlson, Hui Dai, Jing Deng, Jeff Rose, Anmol Sheth, Brian Shucker, Charles Gruenwald, Adam Torgerson, Richard Han ” MANTIS OS: An Embedded Multithreaded Operating System for Wireless Micro Sensor Platforms” ACMKluwer Mobile Networks & Applications (MONET) Journal, Special Issue on Wireless Sensor Networks, August 2005 [18] - Edosoft Factory, S.L “CONTIKI AND TINYOS “.Interoperable Sensor [19] - P Levis and D Culler: “Maté: A Tiny Virtual Machine for Sensor Networks,” ASPLOSX: Proc 10th Int’l Conf Architectural Support for Programming Languages and Op Sys., San Jose, CA, 2002, pp 85–95 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 79 [20] - A P Jayasumana et al., “Virtual Sensor Networks a Resource Efficient Approach for Concurrent Applications,” Proc 4th Int’l Conf Info Tech., 2007, Las Vegas, NV, 2007, pp 111–15 [21] - H M N Dilum Bandara et al., “Cluster Tree Based Self Organization of Virtual Sensor Networks,” Proc IEEE GLOBECOM Wksp Wireless Mesh and Sensor Networks, New Orleans, LA, Nov 2008 [22] - Y Yu et al., “Supporting Concurrent Applications in Wireless Sensor Networks,” Proc 4th Int’l Conf E [23]- “Contiki: The Open Source OS for the Internet of Things” [24]- Lutando Ngqakaza, Antoine Bagula “Least Path Interference Beaconing Protocol (LIBP)” Department of Computer Science, University of Cape Town, Private Bag X3 Rondebosch, Cape Town, South Africa [25] J Touch, S Hotz, The X-Bone, in: Proceedings of the Third Global Internet Mini-Conference at GLOBECOM’98, 1998, pp 44–52 [26] J.D Touch, Dynamic internet overlay deployment and management using X-Bone, Computer Networks 36 (2-3) (2001) 117–135 [27] N Fujita, J.D Touch, V Pingali, Y.-S Wang, A dynamic topology and routing management strategy for virtual IP networks, IEICE Transactions on Communications E89-B (9) (2006) 2375–2384 [28] J.E van der Merwe, S Rooney, I Leslie, S Crosby, The Tempest —a practical framework for network programmability, IEEE Network Magazine 12 (3) (1998) 20–28 [29] J.E van der Merwe, I.M Leslie, Switchlets and dynamic virtual ATM networks, in: Proceedings of the IFIP/IEEE International Symposium on Integrated Network Management (IM’97), 1997, pp 355–368 [30] R Boutaba, W Golab, Y Iraqi, B St-Arnaud, Grid-controlled lightpaths for high performance grid applications, Journal of Grid Computing (4) (2003) 387–394 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 80 [31] R Boutaba, W Golab, Y Iraqi, B St-Arnaud, Lightpaths on demand: a web services-based management system, IEEE Communications Magazine 42 (7) (2004) 2–9 [32] J Recio, E Grasa, S Figuerola, G Junyent, Evolution of the user controlled lightpath provisioning system, in: Proceedings of the Seventh International Conference on Transparent Optical Networks, vol 1, 2005, pp 263–266 [33] B Nandy, D Bennett, I Ahmad, S Majumdar, B St-Arnaud, User Controlled Lightpath Management System based on a Service Oriented Architecture (2006)